JP2009006271A - コーティングによる流体制御方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】移動体の表面に所望の速度に対応した疎水性コーティング及び親水性コーティングによる塗り分けを実施する。または、移動体の表面に両親媒性コーティングを予め塗布しておいて、そのコーティング面(制御面)に熱、光または磁場を作用することによりその制御面を所望の速度に対応した疎水性または親水性に変える。
【選択図】図2
Description
流体を運動する移動物体としては船舶や自動車、航空機などが挙げられる。他方、静止物体の内部または表面を流れる流体の例としては配管の内部を流れる流体や建築物表面を流れる流体などが挙げられる。上記流体制御法を用いて、前者の場合は移動物体の流体に対する抵抗軽減や運動方向の制御が可能となる。後者の場合は流体の抵抗軽減が主目的となる。以上のような高い社会的ニーズを背景として、種々の流体制御手段が提案されている。これらの流体制御手段は、主として流れ面の特性を変化させる場合と、流体の特性を変化させる場合に大別することができる。流れ面の特性を変化させる場合として、MEMS(microelectromechanical system)を用いて制御面を変形または振動させる場合がある(例えば、非特許文献1を参照。)。次に、流体の特性を変化させる場合としては、流量を増減することにより流体の特性を変化させる流体制御手段(例えば、非特許文献2を参照。)、又はプラズマを発生させて流れの組成を変化させる流体制御手段がある(例えば、非特許文献3を参照。)。これらの流体制御手段は機械的、電気的に制御する手段であり、物体の制御面を改修する問題がある。そのため、あらゆる物体に容易に適用できないという問題が残る。他方、これらの流体制御手段以外に、物体の表面に疎水性コーティングを施す化学的流体制御手段がある(例えば、非特許文献4を参照。)。この流体制御手段は、物体の表面に疎水性コーティングを施すことにより物体の流体抵抗を軽減する手段であり、流体制御に必要と考えられる親水性コーティングおよび両親媒性コーティングに関する知見はなされていない。
そこで、本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は両親媒性コーティングを用いてのアクティブ制御または疎水性コーティング及び親水性コーティングの塗り分けによるパッシブ制御により、制御面の改修を伴わずにその制御面を目的に応じて自由に変化させることができるコーティングによる流体制御方法を提供することにある。
両親媒性コーティング(特に両親媒性の機能性高分子)は、それ自体に疎水基と親水基を持つため、熱、光または磁場を作用させ分子構造を変えることにより、疎水性または親水性を選択することができる。しかも、熱、光等の外部信号を与えた面のみ制御が働くため、その制御面の改修を伴わずに制御面の水性・位置・範囲を自由に変えることができる。従って、制御面を目的に応じてこのように自由に変えることにより、移動体の速さ及び/又は方向をアクティブに制御することが可能となる。
また、熱により疎水性、親水性を変化させることができる両親媒性のコーティングが報告されているが、上記コーティングによる流体制御方法では、この原理を利用して熱だけでなく光や磁場等によっても疎水性あるいは親水性の制御面をアクティブに変化させることで移動体の速さ及び/又は方向を効果的に制御する。
上記コーティングによる流体制御方法では、両親媒性コーティングを静止体に塗布し、熱、光、磁場等によってその制御面を目的に応じてアクティブに変化させることで静止体近傍を流れる流体の速さ及び/又は方向を効果的に制御する。
上記コーティングによる流体制御方法では、コーティングとして両親媒性ポリマーを採用することにより、スプレー等の形態で使用することが可能となる。これにより、塗布面の形状に依らずに制御面を容易に形成することができる。
疎水性、親水性表面がそれぞれ水をはじく、引きつける性質を持つことは報告されている。また、疎水性コーティングを利用して水の抵抗を減らす研究は行われている一方、水の抵抗を増す親水性コーティングを流体制御に利用する研究はなされていなかった。
しかしながら、本願の発明者はこれらの知見を基に鋭意実験を重ねた結果、疎水性コーティング又は親水性コーティングのどちらか一方に限定せず、双方を用いたこれらの塗り分けが、物体の流体特性を効果的に変化させることを見出した。
そこで、上記コーティングによる流体制御方法では、疎水性コーティング及び親水性コーティングの双方を用いて移動体の表面を目的に応じて塗り分けることにより移動体の速さ及び/又は方向を任意に制御するようにした。
上記コーティングによる流体制御方法では、上記請求項4と同様に、疎水性コーティング及び親水性コーティングの双方を用いて静止体の表面を目的に応じて塗り分けることにより、静止体近傍を流れる流体の速さ及び/又は方向を制御するようにした。
上記コーティングによる流体制御方法では、上記親水性コーティングを用いることにより、疎水性コーティング及び親水性コーティングの塗り分けによるパッシブ流体制御が容易に実施できるようになる。
上記コーティングによる流体制御方法では、流体を水とすることにより、両親媒性コーティングによるアクティブ流体制御、ならびに疎水性コーティング及び親水性コーティングの塗り分けによるパッシブ流体制御が容易に実施できるようになる。
(1)両親媒性コーティングによりアクティブ制御が容易に実施できる。
(2)疎水性、親水性コーティングの塗り分けによりパッシブ制御が容易に実施できる。
(3)スプレー等によりどんな形状の制御面でも容易にコーティングすることができる。
(4)容易に制御面を構築できるので、船舶や自動車、航空機など流体を運動する物体、ならびに配管内の流れや建築物など物体中を流れる流体に対し適用可能である。
この流体制御に係る試験は、疎水性コーティングと親水性コーティングによる塗り分けが施されたアルミ模型1に糸5を連結し、滑車7を介在させてその糸5の端部に錘6を繋いだ状態で、高さ1617mmの地点からアルミ模型1を直径100mmの水柱2に落下させ、その落下地点から725mmに設置したレーザーシート3a及びフォトダイオード4a、そこから更に715mm下方に設置したレーザーシート3b及びフォトダイオード4bによってアルミ模型1のレーザーシート3a,3b間の移動時間tを計測することにより行った。また、フォトダイオード4a,4bが受光した光信号は、オシロスコープ8に取り込まれ、アルミ模型1の移動時間tはそれらを通過する際に起こる光信号の変化から求めた。
ここで、模型体積、重さ、濡れ面積はコーティングの種類によらず一定なので、親水性コーティングを基準にした抵抗係数(CD)の比(CD/CD親水)は次式で与えられる。
各アルミ模型1a,1b,1c,1dは、直径10mm、軸長100mmで、先端部が先細りコーン形を成した長軸物である。そして、コーティングの塗り分けが流れ方向に対して垂直に成されている。ここで、「塗り分けが流れ方向に垂直」とは、塗り分け線を含む面の法線が流れ方向と平行になる塗り分けのことである。また、アルミ模型1a,1bの塗り分け線は、塗り分け比が35対65になるように、先端部から35mmに設定されている。従って、アルミ模型1a,1bでは、この塗り分け線を境にして、疎水性コーティング11と親水性コーティング12の塗り分け(疎水35%塗り分け、親水35%塗り分け)が成されている。
図4の(a)は、アルミ模型1a,1b,1c,1dがレーザーシート3aを通過した直後の写真であり、同(b)は通過直後から0.165秒後の写真であり、同(c)は0.320秒後の写真であり、同(d)は0.400秒後の写真である。
100%親水性コーティングを全面に施したアルミ模型1dの値を基準に、上記数式1を用いて各アルミ模型1a,1b,1cの各抵抗係数の増減を求めると、35%疎水性(先端)・65%親水性(残)のアルミ模型1aの抵抗係数は5%減となり、35%親水性(先端)・65%疎水性(残)のアルミ模型1bの抵抗係数は13%減となり、100%疎水性コーティングのアルミ模型1cは24%減となった。
図6の(a)は物体の表面温度を53℃に設定したときの接触角を示し、その場合のアクティブポリマーは疎水性を示す。同(b)は物体の表面温度を41℃に設定したときの接触角を示し、その場合のアクティブポリマーは疎水性を示す。同(c)は物体の表面温度を32℃に設定したときの接触角を示し、その場合のアクティブポリマーは臨界状態を示す。同(d)は物体の表面温度を24℃に設定したときの接触角を示し、その場合のアクティブポリマーは親水性を示す。同(e)は物体の表面温度を12℃に設定したときの接触角を示し、その場合のアクティブポリマーは親水性を示す。
2 水柱
3 レーザーシート
4 フォトダイオード
5 糸
6 錘
7 滑車
8 オシロスコープ
11 疎水性コーティング
12 親水性コーティング
Claims (7)
- 両親媒性コーティングを、流体を移動する移動体の全部または一部の表面に塗布し、該塗布面に熱、光または磁場を作用させることにより前記移動体の速さ及び/又は方向を制御することを特徴とするコーティングによる流体制御方法。
- 両親媒性コーティングを、流体に対し静止した静止体の全部または一部の表面に塗布し、該塗布面に熱、光または磁場を作用させることにより前記塗布面近傍を流れる前記流体の速さ及び/又は方向を制御することを特徴とするコーティングによる流体制御方法。
- 前記両親媒性コーティングは、熱により疎水性または親水性が変化する両親媒性ポリマーから成る請求項1又は2に記載のコーティングによる流体制御方法。
- 流体を移動する移動体の全部または一部の表面に疎水性コーティング及び親水性コーティングを塗り分けることにより、前記移動体の速さ及び/又は方向を制御することを特徴とするコーティングによる流体制御方法。
- 流体に対し静止した静止体の全部または一部の表面に疎水性コーティング及び親水性コーティングを塗り分けることにより、前記静止体近傍を流れる前記流体の速さ及び/又は方向を制御することを特徴とするコーティングによる流体制御方法。
- 前記親水性コーティングは光触媒を用いた親水性コーティングである請求項4又は5に記載のコーティングによる流体制御方法。
- 前記流体は水である請求項1から6の何れかに記載のコーティングによる流体制御方法。
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